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本研究の目的は、機能性材料として多くの可能性を有する無機膜の透過機構を解明するとともに、その分子設計の方法論を試行的に確立してゆくことである。
分子シミュレーションでは、細孔構造の異なる3つの炭素膜(菱型、ジグザグ型、平滑スリット型細孔)を創り、メタンとエタンの透過現象を計算して次のような知見を得た。(1)気体の透過と分離機構は選択的な吸着、膜内拡散抵抗、膜入口・出口の透過抵抗の3つの因子で説明できる。(2)菱型とジグザグ型の膜では細孔内の拡散抵抗と出口抵抗が大きいが、平滑スリット型の膜では出口抵抗が支配的である。(3)吸着力が強い成分の拡散速度が大きくなるような膜構造が最適である。また、柔かい分子の透過プログラムを開発し、ブタン異性体/ゼオライト膜の透過シミュレーションを行ったが、計算時間が長いのでプログラムの並列化を計画しており、新しい並列計算機の導入を期待している。
膜表面の化学修飾の研究では、量子化学計算を用いて決定した分子間ポテンシャルの安定化因子分解から、主要な因子を増幅するような原子を選び出すというルールに従って、MgOおよびTiO_2表面の修飾を試みた。試行した分子はNH_3とCO_2である。NH_3-TiO_2系ではNH_3分子からTi原子への電荷移動があり、分子分極も大きくて、修飾するまでもなく化学吸着状態であることがわかった。CO_2-MgOおよびCO_2-TiO_2系は物理吸着であり、表面のO原子からCO_2分子への電荷移動が支配的であった。原子の選択ルールに従って、Mg原子あるいはTi原子の一部を電気陰性度のより小さなCaで置換することにより吸着エネルギーが予想通り増大した。また、分子分極による安定化を促進するには柔らかい原子を選べばよいが、現在までの計算では、分極項は相互作用エネルギーへの感度が弱いことを示唆するデータが出ている。
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